Реферат: Разработка макета системы персонального вызова
РЕФЕРАТ
Пояснительная записка к дипломному пpоекту «Разpаботка
макета системыперсонального вызова» содеpжит листов , ил-
люстpаций , таблиц , использованных источников .
МАКЕТ, СИСТЕМА ПЕРСОНАЛЬНОГО ВЫЗОВА, МАГНИТНОЕ
ПОЛЕ, ВХОДНОЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ, АНТЕННЫЙДАТЧИК,
УМНОЖИТЕЛЬ ДОБРОТНОСТИ, КОНВЕРТОР.
Цель дипломного пpоекта — pазpаботать констpукцию макета
системыперсонального индукционного вызова, конструкцию антен-
ного датчика приемника персонального вызова. Разpабатываемое
устpойствопpедназначается для испытания различных типов ан-
тенных датчиков иих сравнения, произвести оценкувозможности
примененияисследуемых датчиков в сиcтемах персонального вызо-
ва.
CОДЕРЖАНИЕ
Стp.
Задание на дипломный пpоект 2
Рефеpат 3
Пеpечень сокpащений, условных обозначений:
символов, единиц, теpминов 4
Введение 5
1. Обзор тематической литературы 6
1.1. Системы персонального вызова — назначение,
принципы организации, недостатки 6
1.2. Способы приема слабых низкочастотных
электромагнитных полей 10
2. Исследование индукционных датчиковмагнитного
поля для системы индукционного персонального
вызова 25
2.1. Анализ методов повышения чувствительности
индукционных датчиков магнитногополя 25
2.2. Умножители добротности антенныхконтуров 28
2.3. Исследование параметров индукционныхдатчиков 32
2.4. Макет системы персонального вызова 40
3. Исследования полупроводниковых датчиков
магнитного поля 46
3.1. Источник магнитного поля 46
3.2. Определение магниточувствительностидиода 47
3.3. Определение магниточувствительноститранзистора 48
4. Исследование возможности построения системы
персонального вызова с использованием
электрического поля 49
4.1. Принцип работы пьезоэлектрическоготрансформатора 49
4.2. Исследование пьезоэлектрическоготрансформатора 50
5. Охpана тpуда и техника безопасности 53
5.1. Анализ условий тpуда 55
5.2. Разpаботка меpопpиятий по пpиведениюусловий
тpуда в соответствие с тpебованиямивопpосов
техники безопасности, гигиены тpуда и
пpоизводственной санитаpии 58
5.3. Пожаpная пpофилактика 60
5.4. Выводы 61
6. Экономическая часть 62
6.1. Назначение устройства и выбор базы длясравнения
показателей качества 62
6.2. Расчет качественных показателей 62
6.3. Расчет пpедпpоизводственных затpат 64
6.4. Расчет себестоимости, договоpной цены идохода 66
7. Гpажданская обоpона 69
Заключение 78
Список использованной литеpатуpы 79
ВВЕДЕНИЕ
Совpеменное пpоизводство pазвивается в условиях науч-
но-техническойpеволюции, главное содеpжание котоpой составля-
ет освобождение человека от ручного труда. Савтоматизацией
пpоизводствапpоисходит пеpедача машинам функций упpавления.
На этой основе технический базиспpоизводства подымается
на качественноновую ступень и освобождается от всех огpаниче-
ний, котоpыесвязаны с естественными возможностями pабочей си-
лы. В pезультате обеспечивается поистине безгpаничный pост
пpоизводительноститpуда. Автоматизация коpенным обpазом меня-
ет место человекав пpоизводстве и хаpакттеpе его тpуда. Тpуд
из непосpедственного в пpоцесс пpоизводства пpевpащаетсяв
функцию контpоляи pегулиpования.
Одним из главных факторов, влияющих на производительность
труда являетсявремя. Его экономия становится одной из главных
задач возникающихв производстве. В целом по стране потеря да-
же одной минутыобходится в миллионы рублей.
Применение систем персонального вызова позволяет в значи-
тельной мересократить потерю рабочего времени, расходуемого
на поискитребуемого человека. Автоматизацияпоиска уменьшает
это время болеечем в два раза. Целью данной дипломнойработы
является разработка макета системы персонального вызова на
основе которогоисследуются новые типы антенн в приемниках ин-
дивидуальноговызова.
1. ОБЗОР ТЕМАТИЧЕСКОЙ ЛИТЕРАТУРЫ
1.1 Системы персонального вызова-
назначение, принципы организации,недостатки
Особое место в развитии промышленностиотводится повышению
производительноститруда, совершенствованию структуры управле-
ния и улучшениюработы всех видов связи. Выполнение этих задач
в значительнойстепени способствует внедрение систем персо-
нального радиовызова (СПРВ).
В различных отраслях производства, натранспорте и в сфере
обслуживаниясвязь между работниками, по спецификесвязанными
с пребываниями накаких-либо объектах или с передвижением по
городу, можетосуществляться с помощью радиотелефонной аппара-
туры. Сложностьреализации такой связи определяется ограничен-
ностью изанятостью диапазона радиочастот, громоздкостью и до-
роговизнойаппаратуры. Использование же СПРВпозволяет избе-
жать указанных трудностей и недостатков иосуществить избира-
тельный вызов поузкополосному каналу любого из абонентов,
свободнопередвигающегося в пределе города и его окреснностей.
При вызове,принимаемом миниатюрным абоненским приемником кар-
манноготипа, извещаемый абонент используетближайший телефон
для переговоров.
Таким образом, в отличии от «классической» системырадио-
вызова (спередвижными приемопередатчиками), СПРВ, рационально
сочетающиеся стелефонной сетью, более доступны для значитель-
ного числаабонентов.
СПРВ завоевали широкое признание во многих странах мира.
Общее числоабонентов таких систем в мире исчисляется миллио-
нами. Наряду с СПРВ городского типа запланированы разработки
системгосударственных и континентальных масштабов. Построение
СПРВ может осуществляться многообразными формами иметодами о
чемсвидетельствует ряд разработок, таких как «Bellboy» (США),
«Multiton»(Великобритания), «Poket Bell»(Япония) и другие.
Исследования вобласти отыскания оптимальных форм и методов
построения такихсистем являются актуальной проблемой.
Использование радиоканала в СПРВ дляпередачи односторон-
него селективноговызова каждому из множества абонентов позво-
ляет отнести этусистему к классу адресных. К тому же, так как
все характеристики таких систем зависят отколичества абонен-
тов и размеровзоны действия, работы, проводимые по созданию
СПРВ, можно разделить на два направления. Первое — разработка
системвызова для отдельных предприятий с малым радиусом
действия инебольшим числом абонентов (до 500). Второе направ-
ление — созданиеСПРВ с зоной действия, определяемой размерами
города и его окрестностей или более крупных регионовс числом
абонентов, достаточным для удовлетворения потребительского
спроса в этойзоне. Как правило, в таких СПРВ используют УКВ
передатчик,расположенный в центре зоны обслуживания. Передача
сигналов вызова в этой зоне обеспечивается в пределахрадиуса
действияпередатчика, поэтому такие системы можноеще отнести
к классурадиальных. Рассмотрим принципы построения нескольких
крупных СПРВ.
Одной из первых крупных разработок была «Система персо-
нального вызована УКВ» (США), работающая в диапазонах 20...50
и144...174 МГц. Структурная схема такой системы представлена
на рис.1.1.
Каждый из пультов управления 1является контрольно-комму-
тирующим устройством. Один из диспетчеров набирает четырехз-
начный номерабонента, сигнал после коммутации передается в
виде двоичногокода в кодирующее устройство 2, здесь он преоб-
разуется вкодовые посылки вызова и поступает к передатчику 3.
Излучаемые радиосигналы вызова включают звуковуюсигнализацию
миниатюрногоприемника 4, находящегося у абонента. Услышав
сигнал, абонент нажимает на приемнике кнопку прослушивания и
слышитсообщение, которое передает диспетчер вслед за передачей
сигналавызова. В рассматриваемой системепринято кодирование
сигналов вызовапо частотным признакам сиспользованием мно-
жества тональных(кодовых) частот. Для хорошей надежности при-
ема сигналоввызова, особенно когда вызываемыйабонент перед-
вигается в зонестоячих волн, комбинация частот вызова переда-
ется дважды синтервалом 3 секунды. Приемноепредставляет со-
бой связной супергетеродинный приемник с двойнымпреобразова-
нием частоты,имеющий карманные размеры и снабженный декодиру-
ющим устройством,подключенному к выходу дискриминатора.
Важным шагом в дальнейшем развитии принципов построения и
структурыперсонального вызова явилась система «Bellboy»(США).
Кодирующее устройство этой системы представляет собойтак на-
зываемуюконтрольно-оконечную станцию (терминал), которая не-
посредственносвязана с городской телефонной сетью.
Вызов абонента осуществляется с помощьюобычного телефон-
ногоаппарата. Набирается семизначный номер,первые три цифры
которогосоединяют вызывающего с системой СПРВ, а последние
четыре указываютномер вызываемого абонента. Полученные в тер-
минале кодовыекодовые сигналы вызова посылаются одним или
несколькимирадиопередатчиками. На рисунке 1.2 показана струк-
турная схемасистемы «Bellboy». Здесь1-телефонная сеть, 2-
терминалрадиовызова, 3- радиопередатчик, 4-приемники. Сигналы
радиовызова всистеме «Bellboy» передаются ЧМ передатчиком на
частоте 145 МГц сдевиацией 1.3 КГц.
Широкое распространение получила СПРВ«Multiton» (Великоб-
ритания). Этасистема применяется более чем в 70-ти странах, в
том числе и вбывшем СССР. Эта фирма претендуетна авторство
самой первойразработки СПРВ.
Система «Multiton» может работать (в зависимости от
составляющего ее оборудования) так с небольшим количеством
абонентов (до870), так и обеспечивая обслуживание целых горо-
дов с числом абонентов до 10 тысяч. Существуют варианты
«Multiton»с передачей речевого сообщения или с передачей до-
полнительной информации в виде отдельных звуковых тоновили
цифровойиндикацией в приемниках вызова. Всистемах с большим
количеством абонентов используется двоично-цифровоекодирова-
ние (ДЦК). Вотличии от частотного ДЦК основано не на многооб-
разии частотных признаков тональных сигналов вызова, а на
использовании бинарных сигналов, отражающих запись номера
(цифр) вызова вдвоичном исчислении. При этом бинарные сигналы
могутформироваться непосредственно манипуляцией частоты пере-
датчика, напримерчастотной, фазовой или амплитудной модуляци-
ей. В системах «Multiton»используется частотная модуляция.
Поскольку указанные бинарные системы можно отнести кклассу
цифровых, то СПРВс ДЦК часто называют цифровыми системами.
Из отечественных СПРВ можно выделитьсистему «Луч-1В». Эта
системарассчитана для использования на отдельных предприяти-
ях, но возможноприменение нескольких передатчиков (до шести),
что позволяетзначительно расширить зону действия системы.
Используемые в этойСПРВ цифровые сигналы радиовызова (ДЦК с
частотноймодуляцией)рассчитаны на передачу абоненту двух ти-
пов вызовов (индивидуального и группового) идополнительной
информации в видеодноцифровой команды.
Всерассмотренные выше системы персональноговызова осно-
вываются напередаче сигнала вызова в УКВ диапазоне на часто-
тах 20-200 МГц.Радиосвязь на УКВ широко используется для свя-
зи спередвигающимися автомашинами, тогда, когда необходимо
обеспечить охватсистемой большой площади (например в пределах
города). Несмотря на свои достоинства, системы срадиовызовом
имеют рядсущественных недостатков:
а) воздействие на другие системы беспроводнойрадиосвязи;
б) возможность прослушивания передаваемойинформации за пре-
деламипредусмотренной для связи территории;
в) невозможность использовать под землей(шахты);
г) наличие ярко выраженной «тени»,возникающей в следствии эк-
ранировкирадиосигналов стальными конструкциями зданий, круп-
ным станочнымоборудованием.
Индуктивная связь является альтернативой радиосвязи. Она
избавлена от этихнедостатков, хотя обладает другими. Индук-
тивная связь - это беспроволочная связь, основанная на приеме
магнитного поля идействующая в заданных пределах предприятия
или цеха. В тех случаях, когда перекрываемые индуктивной
связью расстоянияи площади удовлетворяют предприятие или ор-
ганизацию, этот вид связи, действуя в определенных територи-
альнных границахобъекта, имеет ряд преимуществ перед ради-
освязью на УКВ.
Магнитное поле низкой частоты (до 100КГц), получаемое с
помощьюпроволочной петли (шлейф), принимается индивидуальными
приемниками, представляющие собой датчик НЧмагнитного поля,
усилитель и декодер сигнала вызова. Декодер может применятся
тот же, что и в системах СПРВ, усилитель должен обеспечивать
параметры (усиление, коэфициент шума и другие), необходимые
для нормальнойработы декодера. Особогорассмотрения требуют
датчики магнитногополя, характеристики которых в значительной
степениопределяют параметры всей системы.
1.2. Способы приема слабыхэлектромагнитных
низкочастотных полей
Для приема слабых низкочастотных злектромагнитных полей
применяетсямножество методов. Одни из нихрассчитаны на ре-
гистрацию электрической составляющей электромагнитного поля,
другие — магнитной. В данном случае насинтересуют методы ре-
гистрациимагнитного поля.
Одним из главных компонентов в системерегистрации магнит-
ного поляявляются датчики. Они во многом определяют параметры
системы, самый главный из которых — чувствительность. Методы
создания магнитных датчиков базируются на многихаспектах фи-
зики иэлектроники. Существует 11 наиболее применяемых методов
обнаружениямагнитного поля. Это следующие методы:
1) индукционный;
2) с насыщенным сердечником;
3) ядерной прецессии;
4) оптической накачки;
5) СКВИД;
6) на основе эффекта Холла;
7) магниторезистивный;
8) магнитодиодный;
9) магнитотранзисторный;
10) с использованием волоконных световодов;
11) магнитооптические.
Рассмотрим конструкцию каждого датчика.
1.2.1. Индукционные датчики.
Наиболее распространенным преобразователем напряженности
магнитного поляявляется индукционный датчик, типичнымприме-
ром которого служит приемная рамка, работающая на принципе
электромагнитнойиндукции. Конструктивно выполняется дватипа
рамок:
1) без сердечника — один или множество витковпровода имеющих
форму круга илипрямоугольника (рис. 1.3а);
2) с сердечником — провод наматываеся наматериал с высокой
магнитнойпроницаемостью (рис. 1.3б).
Использование сердечников значительноувеличивает магнит-
ный поток,пронизывающий рамку, и обеспечивает тем самым более
высокую чувствительность преобразователя. При одинаковой
чувствительностипо напряженности магнитного поля рамки с сер-
дечником обычносущественно меньше, чем рамки без сердечника.
Как известно, ЭДС индуцируемая магнитным полем в катушке
равна
e = — -- cos (1)
где Ф= SH sin( t+) - магнитный поток, пронизывающий витки
рамки;
— магнитная проницаемость сердечника;
S — площадь поперечного сечения сердечника или витка воз-
душной рамки.
При приеме высокочастотных полей обычнопользуются поняти-
ем действующейвысоты рамки h , определяющей по существу ее
чувствительность в режиме холостого хода к электрической
составляющейэлектромагнитного поля. Для рамки без сердечника
h = ----- (2),
Q = --- (3).
Как и любая катушка индукционная рамка имеет распределен-
ную межвитковуюемкость обмотки С . Величина ее зависит от
многих факторов и не поддается расчету. Экспериментально С
можно найтиопределяя резонансные частоты рамки f при несколь-
ких значенияхвнешней емкости Свн и используя формулу Томпсона
— = 4* *L*(Cвн — С ) (4).
Индукционные датчики магнитного поля являются одними из
наиболеечувствительных датчиков. С их помощью можно регистри-
ровать поля напряженностью от 10Е-14 А/м в диапазоне до
нескольких МГц.
1.2.2. Датчики с насыщенным сердечником.
Датчики этого типа также называютмагнитомодуляционными и
феррозондами. В основном они применяются для измеренияпосто-
янных магнитныхполей, но эти же датчики можноиспользовать и
для измерения напряженности переменных магнитныхполей низких
частот (Fmax=10 КГц).
Датчик с насыщенным сердечником представляет собой уст-
ройство состоящееиз одного или двух сердечников из высокопро-
ницаемогомагнитомягкого материала с распределенными по длине
обмотками (рис.1.4).
Принцип действия основан на периодическомизменении прони-
цаемости сердечников с помощью вспомогательногопеременного
магнитногополя. Обмотка возбуждения питается отспециального
источника переменного тока. Величина тока выбираетсятакой,
что создаваемоеим поле в определенную часть периода обеспечи-
вает в сердечникесостояние насыщения. При этом магнитныели-
нии измеряемогополя «выталкиваются» из сердечника, пересекая
при этом выходнуюкатушку и в ней индуцируется Э.Д.С., которая
зависит отвеличины измеряемого поля. Обычно навыходе стоит
фильтр, выделяющий вторую гармонику частотывозбуждения. Так
как принапряженности поля равном нулю она также равна нулю,
то по ееамплитуде судят о величине измеряемого магнитного по-
ля. Нижний предел измеряемых магнитных полейдатчика с насы-
щеннымсердечником равен 10Е-12 А/м.
1.2.3. Магнитометр с оптической накачкой.
Магнитометр с оптической накачкой основан на эффекте Зее-
мана. В 1896 годуголландский физик П.Зееман показал, что неко-
торые из характеристических спектральных линийатомов расщеп-
ляются, когдаатомы помещены в магнитное поле; одна спектраль-
ная линия расщепляется в группу линий снесколькими различаю-
щимися длинамиволн. Особенно этот эффект выраженв щелочных
элементах, например,в цезии.
В магнитометре с оптической накачкойиспользуются 3 энер-
гетических состояния, возможных для единственного валентного
электрона цезия:2 низких близкорасположенных состояния и одно
состояние с болеевысокой энергией. Разница энергий междубо-
лее низкимисостояниями соответствует радиочастотным спект-
ральнымлиниям, а переход между одним из болеенизких состоя-
ний и болеевысоким состоянием соответствует спектральной ли-
нии в оптическойобласти.
Рассмотрим пары цезия при оптическойнакачке света с кру-
говойполяризацией. Количество света,поглощаемое парами, из-
меряется при помощи фотодетектора. Первоначально некоторые
электроны в парахбудут находиться в одном из низких энергети-
ческих состояний инекоторые — в другом. Когда атомы поглощают
фотоны света скруговой поляризацией, их угловой момент обяза-
тельно меняетсяна единицу. Таким образом, электроны,находя-
щиеся вэнергетическом состоянии, отличающемсяот более высо-
кого состояния наединицу углового момента, будут поглощать
фотоны ипереходить в более высокое состояние, а находящиеся в
энергетическомсостоянии с таким же угловым моментом, как и в
более высокомсостоянии, — не будут. Поскольку некоторые фото-
ны поглощаются, силасвета уменьшится. Электрон, находящийся в
более высокомсостоянии, почти немедленно переходит водно из
более низкихсостояний. Каждый раз, когда электрон совершает
этот переход,существует некоторая вероятность того, что он пе-
рейдет в состояние,в котором невозможно поглощение света. При
достаточном времени почти все электроны перейдут в такое
состояние. Пар, про который тогда говорят, что произошла его
полная накачка,относительно прозрачен для света.
Если затем параллельно лучу света наложитьВЧ-поле, то оно
переброситэлектроны, изменяя при этом их спиновый угловой мо-
мент. Фактически РЧ-поле заставляет электроныперебрасываться
из одного болеенизкого состояния в другое, «расстраивая» оп-
тическуюнакачку. Как следствие, пар вновьначинает поглощать
свет. Радиочастотные и оптические эффектыобъединяются, давая
особенно острыйрезонанс, и именно на этом резонансном явлении
работаетмагнитометр с оптической накачкой.
Энергия, требуемая для опрокидыванияспина электрона, и,
следовательно,частота ВЧ-поля, зависят от силы магнитного по-
ля. Вмагнитометре контур обратной связи управляет радиочасто-
той дляподдержания минимального пропускания света. Таким об-
разом, частота как бы служит мерой магнитного поля. Магнито-
метр с оптическойнакачкой измеряет общее магнитное поле любой
ориентации вотличие от большинства магнитометров, которые из-
меряют только составляющую магнитного поля, лежащую вдоль
чувствительнойоси.
Чувствительность и динамический диапазонэтого магнитомет-
ра подобнобольшинству магнитометров определяется регистрирую-
щей электроникой. Типичные значения чувствительности прибора
имеют предел от10Е-14 до 10Е-6 А/м.
Датчик имеет большие габариты и высокое потребление мощ-
ности (нескольковатт). Конструкция оптического магнитометра
показана на рис.1.5.
1.2.4. Ядерный прецессионный магнитометр.
В ядерном прецессионном магнитометреиспользуется реакция
ядер атомов вжидких углеводородах, например бензоле,на воз-
действие магнитного поля. Протоны в ядрах атомов можно
рассматривать какмалые магнитные диполи; поскольку они враща-
ются и обладают электрическим зарядом, уних есть небольшой
магнитный момент,подобный в некоторых отношениях угловому мо-
ментувращающегося гироскопа. С помощью однородного магнитного
поля,создаваемого при прохождении тока через катушку, протоны
в жидкости могутбыть временно выстроены в ряд. Когдаполяри-
зационный токвыключается, происходит прецессияпротонов от-
носительноокружающего магнитного поля. Ось спинапротона, не
выстроенногопостоянным магнитным полем, подобно оси гироскопа
вне линиигравитационного поля, проходит по окружности относи-
тельно линии,параллельной полю. Скорость прохождения, называ-
емая частотойпрецессии, зависит от силы измеряемого магнитно-
го поля. Прецессирующие протоны генерируют вкатушке сигнал,
частота которого пропорциональна величине магнитного поля.
Конструкция этогомагнитометра показана на рис. 1.6.
Ядерный прецессионный магнитометр имеет диапазон чувстви-
тельности от10Е-13 до 10Е-4 А/м, а их частотныйдиапазон ог-
раниченстробирующей частотой жидкого водорода.
1.2.5. СКВИД-датчик.
Сверхпроводящий квантовый интерференционныйдатчик (СКВИД)
является самым чувствительным датчиком магнитного поля. Это
устройствоосновано на взаимодействии электрических токов и
магнитныхколебаний, наблюдаемых при охлаждении материала ниже
температурыперехода в сверхпроводящее состояние. Конструкция
датчика приведенана рис. 1.7.
Если линии магнитного поля проходят черезкольцо из сверх-
проводящего материала то в нем индуцируется ток. При
отсутствиивозмущений ток будет протекать сколько угодно дол-
го. Величинаиндуцированного тока является весьма чувствитель-
ным индикаторомплотности потока поля. Кольцо может реагиро-
вать на изменениеполя, соответствующее долям однойквантовой
единицымагнитного потока. При наличии в кольцетонкого пере-
хода (переход Джозефсона) в нем наблюдаютсяколебания тока.
Кольцо соединяютс ВЧ схемой, которая подает известное поле
смещения и детектирует выходной сигнал. При взаимодействии
двух двухволн образуется итерференционные полосы, подобно
световым волнам. Подсчет полос позволяет с высокой точностью
определитьвеличину магнитного поля.
Кольцо изготавливают из свинца или ниобия диаметром
несколькомиллиметров. Для увеличения чувствительности его
иногда включают в более крупную катушку. Диапазон измеряемых
полей равен от10Е-16 до 10Е-10 А/м.
1.2.6. Магниторезисторы.
Магниторезисторами называют полупроводниковые приборы,
сопротивлениекоторых меняется в магнитном поле. Поскольку эф-
фектмагнитосопротивления максимален в полупроводнике не огра-
ниченом внаправлении перпендикулярному току, то в реальных
магниторезисторах стремятся максимально приблизится к этому
условию.Наилучшим типом неограниченного образца является диск
Карбино (см. рис.1.8а).
Отклонение тока в таком образце приотсутствии магнитного
поля нет ион направлен строго по радиусу. Приналичии поля
путь носителейзаряда удлиняется и сопротивление увеличива-
ется. Другойструктурой магниторезистора является пластина ши-
рина котороймного больше длины (рис. 1.8б). Эти две структуры
обладают наибольшим относительным изменением сопротивления в
магнитномполе. Однако их существенным недостатком является
малое абсолютное сопротивление при B=0, что обусловлено их
конфигурацией. Для увеличения R применяют последовательное
соединениерезисторов. Например, в случае пластины использу-
ется одна длиннаяпластина из полупроводника с нанесенными ме-
таллическимиполосками, делящими кристалл на области длина ко-
торых меньшеширины. Таким образом, каждая область между по-
лоскамипредставляет собой отдельный магниторезистор.
Магниторезисторы обладают довольно большой чувствитель-
ностью. Она лежит в пределах от 10Е-13 до 10Е-4 А/м.Наиболь-
шей чувствительностьюобладают магниторезисторы изготовленные
из InSb-NiSb.
1.2.7. Магнитодиоды.
Магнитодиод представляет собойполупроводниковый прибор с
p-n переходом иневыпрямляющими контактами, между которыми на-
ходится областьвысокоомного полупроводника. Структураи ти-
пичная ВАХ«торцевого» магнитодиода приведена на рис. 1.9.
Действие прибора основано на магнитодиодном эффекте. В
«длинных»диодах (d/L >> 1, где d — длина базы, L — эффективн-
ная длина дифузионного смещения ) распределениеносителей, а
следовательносопротивление диода (базы) определяется длиной L
Уменьшение L вызывает понижение концентрации неравновесных
носителей вбазе, т. е. повышение ее сопротивления.Это вызы-
вает увеличениепадения напряжения на базе и уменьшение на p-n
переходе (приU=const). Уменьшение падения напряженияна p-n
переходе вызывает снижение инжекционного тока иследовательно
дальнейшееувеличение сопротивление базы. Длину Lможно изме-
нять воздействуяна диод магнитным полем. Оно приводит кзак-
ручиваниюдвижущихся носителей и их подвижность уменьшается,
следовательно уменьшается и L. Одновременно удлиняются линии
тока, т. е.эффективная толщина базы растет. Это и есть магни-
тодиодный эффект.
Нашей промышленностью выпускается несколькотипов магнито-
диодов. Их чувствительность лежит в пределах10Е-9 до 10Е-2
А/м. Существуют также магнитодиоды способные определять не
тольконапряженность магнитного поля но и его направление.
1.2.8. Магнитотранзисторы.
Существует множество типовмагнитотранзисторов. Они могут
быть ибиполярными, и полевыми, и однопереходными. Но наиболь-
шей чувствительностью обладают двухколекторные магнитотран-
зисторы(ДМТ). Структурная схема и способвключения ДМТ пока-
заны на рис.1.10.
ДМТ — это четырех электродные полуроводниковые приборы
планарной илиторцевой топологии. Инжектирующий контакт, эмит-
тер, расположен между симметричными коллекторами. Четвертый
контакт — базовый. Магнитное поле в зависимости от направления
отклоняетинжектированные носители к одному из коллекторов и
изменяетраспределение токов между коллекторами. Разность то-
ков коллекторов иопределяет величину измеряемого магнитного
поля. Онапропорциональна индукции магнитного поля, а знак по-
казывает егонаправление. В области слабых полей ДМТобладает
очень высокой магниточувствительностью и хорошей линейностью
ампер-тесловойхарактеристики. Они используются в аппаратуре
требующей измерения индукции и знака магнитногополя, напри-
мер, в магнитных компасах. В основном используются кремний и
германий. Чувствительность магнитотранзисторов лежит впреде-
лах 10Е-8 до10Е-4 А/м.
1.2.9. Датчик на эффекте Холла.
Рассмотрим пластину полупроводника р-типа через которую
протекает ток,направленный перпендикулярно внешнему магнитно-
му полю. Сила Лоренца отклоняет дырки к верхней гранипласти-
ны, в следствии чего их концентрация тамувеличивается, а у
нижней граниуменьшается. В результатепространственного раз-
деления зарядоввозникает электрическое поле, направленное от
верхней грани книжней. Это поле препятствует разделению заря-
дов и, как только создаваемая им сила станет равнойсиле Ло-
ренца, дальнейшееразделение зарядов прекратится (рис. 1.11).
Разность потенциалов между верхней и нижнейгранями образ-
ца равна :
V = E*a = v*B*a,
где а — ширина образца в направлениипротекания тока, B -
напряженностьмагнитного поля, v — скорость носителей.Наибо-
лее существенноедостоинство датчика Холла при измерении им
напряженности магнитного поля - это линейность измеряемого
напряжения отиндукции магнитного поля. Датчики работают в ди-
апазоне от 10Е-5до 1 А/м.
Датчики Холла изготавливают либо из тонкихполупроводнико-
вых пластин, либо из напыленных тонких пленок. Дляизготовле-
ния используютсяполупроводники с высокой подвижностью носите-
лей заряда.
1.2.10. Волоконно-оптический магнитомер.
Волоконно-оптический магнитомер (ВОМ) представляет собой
новый виддатчика, который находится еще впроцессе разработ-
ки. В немиспользуются два стекловолоконных световода, образу-
ющихинтерферометр Маха-Цандера. Луч лазера проходит через
светоделитель в оба волокна и рекомбинирует в сумматоре,
поступая затем нафотодетектор в конце каждого волокна. Один
из световодов либо намотан намагнитострикционный материал,
либо покрыт им.Размеры магнитострикционного материала зависят
от степени егонамагничености. Когда такой материал намагничи-
вается внешнимполем, длина волокна изменяется. Приизменении
(на долю длиныволны) луч, проходящий через световод, приходит
в сумматор сосдвигом по фазе относительно луча, проходящему
по эталонномусветоводу. Интенференция двух световыхволн вы-
зывает изменениеуровня света на фотодетекторах, величинако-
торого равнаразности фаз.
ВОМ имеет чувствительность от 10Е-15 до10Е-5 А/м. Он мо-
жетиспользоваться для обнаружения либо постоянных полей, либо
полей, меняющихсяс частотой до 60 КГц. Его размеры зависят от
требуемой чувствительности, но обычно он имеет около 10 см в
длину и 2.5 см вширину. Большим недостатком являетсясильные
шумы ичувствительность к вибрациям. Конструкция ВОМ показана
на рис. 1.12.
1.2.11. Магнито-оптический датчик.
В магнито-оптическом датчике (МОД)используется эффект от-
крытый Фарадеем.Этот эффект заключается во вращении плоскости
поляризационногосвета при прохождении через магнитный матери-
ал. Эффект максимально выражен в некоторых кристаллах при
юстировке направления распространения света, оси кристалла и
приложенногомагнитного поля. Примем, что плоскаяволна поля-
ризационного света составлена из двух волн с круговой поляри-
зацией — правополяризованной (ПП) и левополяризован ной (ЛП).
Вращение плоскости поляризации плоской волны происходит за
счет измененияотносительных фаз ПП и ЛП волн. Тогда эффект
Фарадея является результатом изменения показателяпреломления
кристалла, зависящего от того, происходит ли прецессияэлект-
ронов в кристалле относительно продольного магнитного поля в
том же самом илив противоположном направлении, что и вращение
электрического поля света с круговой поляризацией.Коэффициен-
том, определяющем степень эффективности материала, является
постоянная Верде,имеющая размерность единиц углового вращения
на единицуприложенного поля и на единицу длины.
Важным преимуществом этих датчиков являютсяих очень малая
инерционность иширокая полоса частот на которых они работают.
Были изготовлены датчики с гигагерцовой частотной характе-
ристикой. Нижний предел чувствительности датчиков равен10Е-6
А/м. КонструкцияМОД показана на рис. 1.13.
1.2.12. Выводы.
Рассмотpим условия которым должны удовлетворять датчики
магнитного поляпpименяемые в системе пеpсонального вызова с
индуктивнойсвязью.